Полимерные мембраны

Была синтезирована высокопористая композитная губчатая мембрана на основе полукристаллического полимера поливинилиденфторида (ПВДФ) с включенными в структуру частицами активированного угля (АУ). Охарактеризована морфология полученной Спанч-мембраны методами оптической (ОМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты по фильтрационной очистке показали, что добавка АУ способствует значительному улучшению очистительной способности мембраны ПВДФ. Степень очистки воды составила 49.4 %, 72.7 % и 96.1 % для чистой мембраны ПВДФ, мембраны ПВДФ с добавкой 9.1 масс % и для мембраны ПВДФ с добавкой 33.1 масс. % АУ соответственно.

Плотность трансмембранного потока может зависеть от площади мембраны только в том случае, если с изменением последней изменяются свойства мембраны. Эта ситуация имеет место в процессе первапорации с использованием пленок хитозана, набухающих в разделяемом водно-изопропанольном растворе. Определены плотность потока и состав пермеата в зависимости от состава формовочного раствора, содержащего, в том числе, осадитель, концентрации разделяемого раствора и площади пленок (2 и 20 см2) в первапорационных установках. На пленках хитозана площадью 20 см2 имели место, независимо от состава формовочного раствора, аномально высокие плотности потоков воды и изопропанола по сравнению с плотностью потока водноспиртового раствора. При использовании в процессе первапорации пленки площадью 2 см2 все наблюдаемые аномалии исчезли, кроме одной, – во всех экспериментах пермеат был обогащен изопропанолом.

На основе 3-три(н-пропокси)силилтрицикло[4.2.1.02,5]нон-7-ена синтезировали новые метатезисный и аддитивный полимеры, содержащие фрагменты Si-O-C. Впервые показали, что метатезисный полимер имел бóльшую проницаемость, чем аддитивный изомер. Полученные полимеры обладали высокой селективностью разделения бутан/метан и контролируемой растворимостью, и поэтому их можно считать перспективными материалами для мембранного разделения смесей углеводородов.

Прогресс в мембранном газоразделении невозможен без синтеза новых полимеров с улучшенными газотранспортными и газоразделительными характеристиками. Наиболее перспективными полимерными мембранными материалами с выгодным сочетанием проницаемости и селективности, формирующими верхние границы диаграмм Робсона 2008 и 2015 годов, являются полигетероарилены, к которым принадлежат лестничные полибензодиоксаны – полимеры с внутренней микропористостью, полиимиды, полиамиды, полиизатины и другие полимеры. Их особенность – наличие в химической структуре фрагментов, тем или иным образом способствующих формированию разрыхленной упаковки полимерных цепей и возрастанию коэффициентов газопроницаемости. К таким элементам макромолекулярного дизайна относятся группировки с изломами основной цепи или объемистые заместители, увеличивающие барьеры вращения и жесткость макроцепей. Высокие значения газопроницаемости для рассматриваемых полигетероариленов часто сочетаются с повышенной селективностью по многим парам газов (например, O2–N2, CO2–CH4), обусловленной в первую очередь высокой селективностью диффузии, что свидетельствует об упорядоченности упаковки цепей и позволяет называть их полимерными молекулярными ситами.

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРЕДСКАЗАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ.

В настоящее время огромное внимание уделяется вопросам более полного использования газового сырья и его экологичной переработке на предприятиях. С помощью мембран появляется возможность извлечения некоторых компонентов, которые ранее утилизировались вместе с отходами, получения более «чистых» газовых смесей и очистки отходящих газов. Аппаратурное оформление мембранных технологий имеет более простой вид, чем другие методы разделения газов. Полимерные композитные полупроницаемые мембраны активно используются в современной промышленности в процессах разделения газов и жидкостей. Будущее мембранной технологии зависит от совершенствования имеющихся способов получения мембран. В статье рассмотрены применяемые методы получения газоразделительных мембран. В частности, метод инверсии фаз, который является одним из основных методов производства мембран. Особое внимание уделяется процессам газоочистки, в которых наиболее эффективное применение нашли поливолоконные мембранные модули, состоящие из в виде полых волокон малого диаметра размером в несколько мкм с соотношением диаметра D к толщине стенки h равное 4,5-20. Полые волокна мембран способны выдержать рабочее давление, равное десяткам мегапаскалей, поэтому аппараты с такими мембранами не требуют дренажных и поддерживающих устройств, что значительно снижает капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию. Также рассмотрены различные конструкции мембранных аппаратов, схема движения газовых потоков в горизонтальном модуле селективного отделения азота из потока сжатого воздуха, при котором отделяются сначала быстрые фильтраты - Н2О и CO2, а затем медленные - аргон и азот, чистота получаемого азота достигает 98 %, однако при данной технологии свыше половины N2, содержащегося в сжатом потоке воздуха, просачивается через стенку мембраны, что указывает на необходимость совершенствования описанной выше технологии.

Мембранное газоразделение с использованием полимерных мембран является одной из быстроразвивающихся энергосберегающих технологий. В статье описан круг задач мембранного га -зоразделения и показана актуальность применения мембранных методов для их решения. Представлен спектр коммерческих полимеров и перспективных синтетических полимерных материалов для таких важных задач газоразделения, как разделение воздуха, выделение углекислого газа, водорода и гелия из природных и промышленных газовых смесей, разделение смеси азота и метана. Продемонстрированы перспективные направления развития мембранного газоразделения.

В многочисленном количестве различных источников электрической энергии, существующих в нашем мире, все больше внимания уделяется их экологически чистым видам. Среди них большое распространение получили топливные элементы (ТЭ) с ионообменной мембраной в роли электролита. Основными преимуществами ТЭ являются высокий КПД (~80 %) и отсутствие выбросов вредных веществ. Ионообменная мембрана - это главный элемент в составе ТЭ. Она отвечает за эффективность его работы. За время развития мембранных технологий были синтезированы мембраны разного состава. Для хорошей производительности мембрана должна обладать рядом необходимых физических и химических свойств, поддерживающих её работу в определённых условиях. Большое внимание исследователей в данной области уделяется модификации уже существующих мембран. Например, повышенная термическая стабильность требуется для работы мембран в условиях повышенных температур. Главной характеристикой мембран является их ионная проводимость. Чем больше это значение, тем эффективнее работает ТЭ. Этот параметр можно также увеличить путём модификаций. Одним из перспективных направлений в данной области является радиационная прививка полимерных мембран. Полимеру можно привить различные мономеры в процессе радиационного облучения. Эти мономеры способны дополнить исходное вещество необходимыми свойствами, такими как, например, повышенная проводимость или химическая устойчивость. Особый интерес вызывает возможность многочисленного комбинирования исходных полимеров и мономеров. Учёные уже смогли добиться необходимых результатов, используя данный метод.

На основании молекулярной теории смачивания из экспериментально полученных значений краевых углов тестовых жидкостей рассчитана удельная свободная поверхностная энергия мембран на основе аморфных полимеров различного химического строения. Установлена взаимосвязь между дисперсионной составляющей поверхностной энергии мембраны, ее газопроницаемостью и величиной свободного объема полимера, что дает возможность использовать метод смачивания для прогноза транспортных свойств полимерных мембран. При смачивании мембран водными растворами спиртов определена концентрация спирта, соответствующая началу его сорбции в мембрану. Корреляция полученной величины с концентрацией спирта, соответствующей началу сорбции и определенной независимо гравиметрическим методом, позволяет использовать краевые углы для оптимизации условий эксперимента по нанофильтрации и первапорации.

Исследованы механизмы диффузии в полимерных мембранах с помощью первапорации. Показано, что механизм диффузии молекул растворителя в полимерной мембране для ненасыщенных мембран состоит из двух составляющих: диффузии через термическую активацию системы и диффузии, протекающей с помощью свободного объема. Для насыщенных мембран диффузия протекает, в основном через структурные пустоты.

В статье представлены научные подходы к разработке новой технологии выделения гелия из состава природного газа. Показаны сопоставительные результаты и дано обоснование выбранных типов и материалов мембран, конструкции корпусов мембранных модулей и схемных решений. Показано, что результаты такого научного подхода обеспечили создание промышленной установки выделения гелиевого концентрата, не имеющей мировых аналогов. Также представлено, как полученные результаты используются в настоящее время для развития мембранной технологии применительно к объектам ПАО «Газпром».

Технологии топливных элементов (ТЭ) предлагают реальную альтернативу для производства электрической энергии, которая способна удовлетворить самые разнообразные потребности при мобильных и стационарных обслуживаниях, где используются современные технологии. Топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую из топлива (водорода) и окислителя (кислорода воздуха) через окислительно-восстановительные реакции. Низкотемпературные топливные элементы (20-120 °C), в частности топливные элементы с полимерной электролитной (протонообменной) мембранной (PEMFC), специально разработаны для портативных применений. Средне- (200-600 °C) и высокотемпературные (до 1000 °C) топливные элементы предназначены для стационарных служб. Во время работы ТЭ с протонообменной мембранной происходят многочисленные физические, электрохимические, кинетические и электрические процессы. Топливные элементы с протонообменной мембраной могут прийти на смену современным двигателям внутреннего сгорания и стать практически возможным кандидатом на применение в автомобильной промышленности, особенно в робототехнике и беспилотных летательных аппаратах. Одним из основных компонентов топливного элемента является электролит. Твердые электролиты на основе оксидов и полимерные электролиты наиболее предпочтительны по сравнению с жидкими. Повышение эффективности протонного обмена мембраны твердополимерного ТЭ является основной проблемой, которую необходимо решить для коммерциализации.

Проведены исследования возможности регенерации и модификации полимерных половолоконных мембран и мембранных элементов, прошедших промышленную эксплуатацию. Для обработки модельных образцов, образцов половолоконных мембран и газоразделительных мембранных элементов использовались экспериментальные газоразрядные стенды. Результаты исследований показали возможность очистки половолоконных полимерных мембран от циклических и алифатических конденсированных продуктов.

Для повышения эффективности разделения и очистки газов методом газогидратной кристаллизации изучена возможность совмещения его с мембранным методом. Предложена математическая модель гибридного мембранно-газогидратного метода. Показано, что применение мембранных методов в газогидратной кристаллизации позволяет предотвратить концентрирование примесей в кристаллизаторе и тем самым существенно повысить эффективность процесса разделения и очистки газов. Предложенная модель разделения и очистки газов была использована для расчетов кратности очистки фреона 12 от азота и кислорода. Показано, что применение метода мембранного газоразделения для предотвращения концентрирования примеси в кристаллизаторе позволяет более чем на порядок повысить эффективность очистки фреона 12 от азота и кислорода методом газогидратной кристаллизации при высокой доле отбора продукта (не менее 0.6).

ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНАЯ ПЕРВАПОРАЦИОННАЯ МЕМБРАНА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ 1-БУТАНОЛА ИЗ ВОДНЫХ СТОКОВ.

Методом измерения удельной водородопроницаемости исследуются различные сплавы, перспективные для использования в газоразделительных установках. Представлены нелинейная краевая задача водородопроницаемости в соответствии со спецификой эксперимента и ее модификации с учетом высокой скорости переноса. Обсуждено существенное отличие от квазиравновесной модели (приближение Ричардсона в предположении равновесного закона Сивертса в приповерхностном объеме). Модель апробирована на опубликованных экспериментальных данных по сплаву Ta77Nb23.

Производство высокочистого водорода необходимо для экологически чистой энергетики и различных химико-технологических процессов. Значительная часть водорода будет производиться за счет конверсии метана, а также его выделения из других углеводородных газов, не вовлеченных в процесс производства энергии. Методом измерения удельной водородопроницаемости исследуются различные сплавы, перспективные для использования в газоразделительных установках. Требуется оценить параметры диффузии и сорбции с тем, чтобы иметь возможность численно моделировать различные сценарии и условия эксплуатации материала (включая экстремальные), выделять лимитирующие факторы. В статье представлены нелинейная модель водородопроницаемости и ее модификации в соответствии со спецификой эксперимента, разностная схема решения краевой задачи и результаты численного моделирования.

Проводилась разработка мембраны, предназначенной для получения концентрата азота из воздуха. Исследовано влияние на структуру мембраны типа растворителя и составов внешней ванны, а также таких параметров формования как время пребывания волокна в воздушной среде в случае сухо-мокрого метода формования.

Экспериментально исследован процесс обезвоживания трет-бутанолана на керамических мембранах HybSi. Исследования проводились в диапазоне концентрации трет-бутанола в сырье от ~50 до ~99 масс.%. Значения температуры в сырьевой емкости были равны 60 и 80°C, а давлениесо стороны пермеата было 20 ммрт. ст. Получены значения потоков компонентов и коэффициента разделения. Проведено сравнение характеристик мембранного разделения смеси трет-бутанол/вода с подобными данными для смесей этанол/вода и изопропанол/вода. Определены коэффициенты проницания, показано, что в ряду водных растворов спиртов этанол, изопропанол, трет-бутанол для одной и той же массовой концентрации воды в сырье увеличивается величина потока воды через мембрану и коэффициент разделения. Показано, что увеличение потока пермеата в при разделении рассматриваемых растворов спиртов, не является функцией только движущей силы процесса. Вторым важным фактором, который влияет на величину потока, является доля пор на поверхности мембраны доступных для диффузии через них молекулам воды. В математической модели массопереноса через мембрану типа «растворение-диффузия», эти поры называются активными. Величина активных пор связана с мольной концентрацией спирта в жидкой смеси у поверхности мембраны соотношением типа Ленгмюра. Учет величины активных пор позволяет объяснить, эффект изменения потока пермеата через мембрану для водных растворов различных спиртов.

Полимерные композиционные мембраны для газоразделения и первапорации с наноструктурированным граничным слоем.

В работе представлены результаты исследований по использованию сульфониевого производного клозо-декаборатного аниона [B10H9S(C18H37)2]– как активного компонента гибридной полимерной мембраны, предназначенной для создания потенциометрического уранил-селективного сенсора. Описан метод синтеза этого соединения и установлен оптимальный состав предложенной мембранной композиции. Определены электроаналитические характеристики изготовленного потенциометрического сенсора, для которого предел обнаружения уранил-ионов составил 4.5 × 10–7 М. Новый сенсор рекомендован для количественного определения уранил-ионов, образующихся при растворении различных урансодержащих продуктов.

Представлены результаты исследований, на основании которых разработан метод автоматизированного определения микроструктурных неоднородностей полимерных пористых нанофильтрационных мембран ОПМН-П и ОФАМ-К. Предлагаемый метод позволяет идентифицировать поверхностные неоднородности селективно-проницаемых мембран и их коэффициент засоренности. Полученные данные дают возможность в условиях заводских лабораторий прогнозировать и определять срок эффективной работы нанофильтрационных пористых перегородок типа ОПМН-П и ОФАМ-К, оснащенных рулонными элементами баромембранных и электробаромембранных установок концентрирования, очистки технологических растворов и стоков гальванических, химических и пищевых производств. С помощью предлагаемого метода, применимость которого подтверждена результатами использования разработанного программного комплекса, можно автоматизированно рассчитывать среднюю величину диаметра засорения полупроницаемых мембран и коэффициент засоренности пористых тел. Методика расчета базируется на программном обеспечении Matlab 2017. Практическая реализация метода представлена на примере процесса нанофильтрации с применением полупроницаемых мембран типа ОФАМ-К и ОПМН-П.

Считается, что мембрана состоит из кристаллических и аморфных областей, причем, вода и молекулы и ионы растворенных веществ проницают через аморфные области, что в то же время не наблюдается для кристаллических областей. Структура определяет основу механизмов процессов, проходящих в системе «мембрана - разделяемая среда». К тому же соотношение кристаллической и аморфной фаз, которое находится в процессе исследований, важно для механических свойств полимерных мембран, а также может быть связано с такими эксплуатационными характеристиками, как скорость убывания проницаемости во времени вследствие холодного течения. Поэтому исследование структурных характеристик мембран является очень важным элементом изучения мембран. В данной статье представлено исследование рентгендифрактометрическим методом структурных характеристик ионообменных мембран МК-40, МА-40, обратноосмотической и ультрафильтрационной мембран МГА-95 и УАМ-100 в области углов 2θ (от 2° до 40°)с использованием в качестве излучения CuKα (λ = 1,54 Ǻ).В частности, в ней представлены и проанализированы рентгендифрактограммы сухих и водонасыщенных образцов мембран каждого типа в геометрии на отражение на наличие и расположение ярко выраженных пиков, приведено сравнение размеров аморфных и кристаллических зон в структуре мембран, рассчитанных по формуле Шеррера. По итогам проведенного исследования обнаружено, что в процессе насыщения водой структура материала ионообменных мембран МК-40 и МА-40 изменяется, что выражается в большей интенсивности пиков сухого образца и в свою очередь может влиять на кинетику массопереноса через мембрану; что в процессе набухания мембраны МГА-95 происходит изменение надмолекулярной структуры материала мембраны за счет деформации как кристаллической, так и аморфной составляющих фаз образца, а также то, что вода в пределах 1% деформирует кристаллическую решетку мембраны УАМ-100, но ее основное влияние проявляется в изменениях интенсивностей максимумов рентгеновского рассеяния.

Методом рентгеноструктурного анализа исследованы полупроницаемые области обратноосмотических композиционных мембран МГА-95 и ESPA. По данным функции радиального распределения отмечено уменьшение числа пор в водонасыщенной мембране по сравнению с воздушно-сухой. Наблюдаемые изменения надмолекулярной структуры мембран МГА-95 и ESPA при набухании происходят в большей степени за счет разупорядочения макроцепей во всех слоях мембраны. Данный эффект зарегистрирован с помощью рентгеноструктурного анализа и функции радиального распределения.

В данной работе исследовалась сепарационные характеристики селективного слоя первапорационных мембран из полиуретанов на основе аминоэфиров ортофосфорной кислоты (АЭФК) и аминоэфиров борной кислоты (АЭБК) при обезвоживании азеотропных водно-спиртовых смесей. Исследовались полимерные композиции полиуретанов на основе АЭФК и АЭБК различных составов, с целью выявления лучших вариантов. Для полиуретана на основе АЭФК оценивалось влияние молей ортофосфорной кислоты в составе полимерной композиции, для полиуретана на основе АЭБК оценивалось влияние модификаторов (объемные аддукты диглицидилового эфира дифенилолпропана и хлорида меди). Разработана методика изготовления полимерных первапорационных мембран с селективным слоем из исследуемых полиуретанов. Проведены экспериментальные исследования по первапорационному обезвоживанию смесей изопропанол/вода и этанол/вода в широком диапазоне концентраций спирта (50-99 мас.%) и различной температурой исходного сырья. Получены данные значений потока пермеата и коэффициента разделения для исследуемых мембран при разделении исследуемых смесей. Определено, что увеличение молей ортофосфорной кислоты в составе полимерной композиции АЭФК и использование модификаторов при синтезе полимерной композиции АЭБК улучшают сепарационные характеристики первапорапорационных мембран. Выявлено, что при повышении температуры процесса на 20 °C поток пермеата через мембрану увеличивается, например, для полиуретана на основе АЭФК-5-ПЭГ значение возрастает в 2 раза, при практически неизменном коэффициенте разделения. На основе данных индекса первапорационного разделения выбраны перспективные полимерные композиции. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами исследований других авторов, изготовленные нами мембраны имеют высоких значениях потока пермеата и коэффициента разделения, которые сопоставимых со значениями для подобных мембран из открытой литературы. На основе концепции растворение-диффузия проведено моделирование процесса первапорации смесей изопропанол/вода и этанол/вода через полимерные мембраны. Приведенная система уравнений является замкнутой и результаты расчета потока пермеата и коэффициента разделения по этой модели хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными.

В настоящей работе представлены результаты исследований влияния содержания поливинилиденфторида (PVDF) в смеси с сополимером винилиденфторида с тетрафторэтиленом (VDF-TeFE) на свойства прядильных растворов, структуру, свободную энергию поверхности и сокристаллизацию полимеров в композитных мембранах, полученных методом электроформования. Установлено, что увеличение содержания PVDF в смеси с VDF-TeFE приводит к увеличению электропроводности и уменьшению вязкости прядильных растворов, снижению диаметра волокон, формирующих мембрану, и показателей предела прочности и относительного удлинения. Показано, что вне зависимости от содержания PVDF все сформированные мембраны являются гидрофобными и обладают низкой свободной энергией поверхности. Установлено, что увеличение содержания PVDF приводит к разупорядочиванию сегнетоэлектрической β-фазы, что выражается в уменьшении межплоскостного расстояния и размера кристаллитов и уменьшении степени кристалличности системы.

Химическая стабильность полимерных мембран, т. е. способность сохранять свои размеры, форму и пористую структуру при контакте с агрессивными органическими растворителями, существенно определяет их разделительные характеристики в процессах фильтрации органических сред. В работе рассмотрены методы повышения стабильности пористых мембран на основе промышленных полимеров (полисульфона, полифенилсульфона и полиакрилонитрила) посредством химической и (или) физической модификации. Химическая модификация сводится к ковалентному сшиванию цепей матричного полимера; в ряде случаев для сшивания макромолекул требуется их предварительная функционализация. Физическая модификация подразумевает смешение матричного полимера с другим, совместимым с ним полимером. Перспективный способ стабилизации мембран различной природы состоит в комбинации матричного полимера с химически сшитым добавочным полимером, т. е. формировании полувзаимопроникающей сетки.

Введенная в эксплуатацию в 2020 г. Установка мембранного выделения гелиевого концентрата (УМВГК) на Чаяндинском НГКМ создана с целью выделения из природного газа избыточных против рыночной потребности объемов гелия с последующим направлением выделенного гелия в составе гелиевого концентрата на долгосрочное хранение. При создании УМВГК остро встал вопрос отсутствия российских производств МЭ, в связи с чем был выполнен комплекс исследований по обоснованию выбора типа материалов и мембран для создания отечественного промышленного производства. По результатам исследований и испытаний опытных партий МЭ, поставленных российскими компаниями, показано, что требованиям ПАО «Газпром» в полной степени удовлетворяют МЭ АО «Грасис», которое в 2019 г. в г. Дубна создало промышленное производство МЭ по частичной локализации, а в 2020 г. - по полной локализации. Благодаря созданию отечественных мембран обеспечена импортнезависимость от зарубежных поставок.

Изучены кинетика и равновесие сорбции пленками из поли-ε-капроамид. Прослежено влияние процесса крейзования на набухание полиамидов и сорбционную емкость полимера, а также транспортные характеристики изотермического процесса первапорации в системе крейзованный ПА-6-вода-изопропанол. Показано, что в некоторых случаях можно на порядок увеличить сорбцию слабо сорбируемого вещества за счет использования дополнительных адсорбционных центров, возникших при набухании полимера.

Исследована кинетика изменения работы выхода электрона (РВЭ) из монокристаллического кремния Si(100) при экспозиции его в жидкой воде. Показано, что помещение в воду, где находится Si(100), пористых пленочных трековых мембран (ТМ) с размерами отверстий от 3.0 до 0.1 мкм существенно уменьшает РВЭ монокристаллического кремния. Отмечено, что аналогичный эффект наблюдается при размещении ТМ над поверхностью воды, содержащей Si(100) на расстоянии ~1.5–2.0 см в виде “крышек”. Предположено, что появление в открытой системе развитой поверхности ТМ приводит к изменению надмолекулярной структуры воды, при этом формируются ассоциаты (H2O)n, имеющие увеличенный (по сравнению с молекулярным) дипольный момент, приводя при сорбции на поверхности Si(100) к усилению эффекта Шоттки.

Рассмотрены разработанные авторами методы получения композитных ионообменных мембран на основе ряда полимерных матриц (поливинилиденфторид (ПВДФ), сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полипропилен) введением в них полистирола путем термической полимеризации мономера с последующим сульфированием имплантанта. Изложены основы синтеза мембран на базе промышленных пленок политетрафторэтилена (ПТФЭ, тефлон Ф-4) путем термической полимеризации стирола в пленке, растянутой в растворе мономера, с последующим сульфированием внедренного полистирола (ПС). Проанализирована литература по радиационно-химическому синтезу композитных ионообменных мембран на основе полимерных матриц с внедренным полистиролом с последующим его сульфированием. Обсуждены вопросы кинетики и механизма термической имплантации ПС в различные полимерные матрицы в различных условиях осуществления процесса. Представлены физико-химические характеристики, структура, транспортные свойства мембран, синтезированных авторами с использованием метода термической имплантации ПС. Проведены испытания полученных мембран в составе низкотемпературных топливных элементов.

Осуществлена термическая полимеризация стирола, сорбированного из паровой фазы в пленки поливинилиденфторида (ПВДФ) при 110°С. Таким путем получены композиты “матрица – полистирол”, содержащие до 70 вес. % полистирола (ПС), являющиеся прекурсорами ионообменных мембран. Сульфированием введенного ПС получены ион-проводящие мембраны с обменной емкостью 1–2.7 ммоль/г и протонной проводимостью до 20–200 мСм/см при насыщении их водой при 25°С. Полученные значения проводимости свидетельствуют о том, что наблюдаемая обычно при полимеризации мономера, сорбируемого из газовой фазы, неравномерность распределения ПС по сечению пленки-матрицы не сказывается заметно на проводящих свойствах сульфированных композитов. Разработанный метод формирования композитов полимерная матрица–имплантированный полистирол существенно упрощает процесс синтеза прекурсора ионообменных мембран, снижает расход реактивов и заметно повышает безопасность синтеза.

Литые мембраны на основе поливинилового спирта перспективны для создания не только доступных топливных элементов и синтезаторов, но и дешевых источников воды и микроэлектромеханических систем. Для управления свойствами таких мембран требуется глубокое понимание механизмов переноса заряда и их связи со структурой, формирующейся при том или ином составе и технологии изготовления. В настоящей работе предложен способ исследования структуры полимерных мембран с протонной проводимостью путем цифровой осциллографии ионных токов, возбуждаемых низкочастотными прямоугольными импульсами с амплитудами ниже порогового напряжения начала ионной проводимости в дегидратированной мембране, и анализа получаемых импульсов ионного тока (спайков) в рамках модели протонного насоса, действующего в каждом слое мембраны. Фурье-преобразование осциллограмм обнаруживает 2-4 последовательности спайков, соответствующие фазам с разной ионной проводимостью, и позволяет определить толщину высокопроводящих слоев (7-30 мкм) и низкопроводящих прослоек (1-7 мкм) фаз, образующихся в процессе полимеризации. Описана причина формирования берстов из одиночных спайков как последовательное превышение плотностью возбужденных протонов порогового значения в высокопроводящих слоях. Предложен механизм возникновения резонанса, наблюдаемого в сухих протонных мембранах при частотах 2.2-3.0 кГц, как точки слияния берстов с дальнейшим увеличением импеданса за счет отставания протонов и снижения эффективной толщины активных слоев. Оценена эффективная концентрация (1012-1013 см-3) и скорость носителей заряда (5-18 см/с для высокопроводящей фазы), которая оказалась значительно выше наблюдаемой в растворах. Исследована асимметрия мембран, которая проявляется при низких частотах и приводит к генерации постоянного ионного тока при возбуждении чисто переменным током. Обнаружено, что контролирующий кажущуюся проводимость вклад в общее омическое сопротивление вносится отнюдь не основными слоями, а тонкой, предположительно поверхностной, прослойкой с очень низкой скоростью ионов. Сделаны выводы об оптимизации технологии и состава протонных мембран для разных областей применения.

На основе аминоэфиров борной кислоты (АЭБК) синтезированы полиуретаны (АЭБК-ПУ). Проведено исследование паропроницаемости и первапорационных характеристик мембранных материалов, получаемых на основе АЭБК-ПУ. Для влияния на процессы массопереноса молекул воды через мембраны проведена модификация молекулярной структуры аминоэфиров борной кислоты. Для этих целей были синтезированы терминированные гидроксильными группами аддукты на основе эпоксидной смолы и моноэтаноламина (ЭМ). Было установлено, что введение аддукта ЭМ в структуру АЭБК ведёт к значительному возрастанию паропроницаемости полиуретанов, получаемых с использованием соответствующих АЭБК-ЭМ. Такое значительное повышение паропроницаемости обусловлено особенностью межмолекулярных взаимодействий с участием терминальных гидроксильных групп АЭБК и АЭБК-ЭМ. Так, модификация структуры АЭБК с использованием аддукта ЭМ приводит к значительному уменьшению размеров частиц АЭБК-ЭМ относительно АЭБК, которое обусловлено разрушением межмолекулярных ассоциатов гидроксильных групп. Измерены значения краевых углов смачивания и водопоглощения АЭБК-ПУ и АЭБК-ЭМ-ПУ. Увеличение содержания аддукта ЭМ влечёт за собой закономерное повышение значений водопоглощения полученных полиуретанов. Изменения значений краевого угла смачивания и водопоглощения коррелируют с закономерностями роста паропроницаемости АЭБК-ЭМ-ПУ. Сделан вывод о том, что аддукт ЭМ в составе АЭБК-ЭМ уменьшает плотность упаковки ассоциатов в составе АЭБК-ЭМ-ПУ и приводит к разрыхлению гидрофильных ассоциатов гидроксильных групп. Понижение таким образом плотности упаковки полиуретановой матрицы приводит к увеличению свободного пространства, занятого ассоциатами гидрофильной природы. Области ассоциативных взаимодействий гидроксильных групп сосуществуют в пространстве полимера в окружении полиэтиленгликоля, проявляющего выраженные гидрофильные свойства и приводят к формированию каналов, по которым могут проникать молекулы воды. Основываясь на данных первапорации, эффективность разделения мембран оценивалась с точки зрения потока пермеата и коэффициента разделения. Установлено, что увеличение коэффициентов проницаемости при первапорационной дегидратации изопропанола коррелирует с закономерностями увеличения коэффициентов паропроницаемости.

Разработан метод in situ модификации перфторированных протонпроводящих мембран Нафион полиэлектролитом на основе сульфированного сшитого полистирола. Метод заключается в проведении радикальной сополимеризации стирола с дивинилбензолом непосредственно в транспортных каналах Нафиона с последующим сульфированием. Использован смешанный растворитель диметилсульфоксид–изопропанол, обеспечивающий, с одной стороны, эффективное набухание мембраны Нафион, а с другой – диффузию неполярных мономеров в гидрофильные транспортные каналы мембраны. Это позволило получить образцы с однородным распределением полиэлектролита по толщине мембраны. Разработанный метод дает возможность значительно увеличить концентрацию носителей заряда и протонную проводимость мембран.

В рамках данной работы были рассмотрены основные факторы, влияющие на технические характеристики мембранного волокна. Было показано влияние коэффициента взаимной диффузии растворителя и нерастворителя на селективный слой мембраны. Также были приведены результаты расчетов формовочной системы ПФО-растворитель-нерастворитель.

Разработана имитационная математическая модель «Функционирование мембранно-абсорбционных газоразделительных систем, обеспечивающих улучше ние потребительских свойств биогаза», устанавливающая взаимосвязь между их конструктивно-технологическими параметрами, условиями эксплуатации и по казателями эффективности их функционирования. Предложена цель имитацион ного моделирования, описаны основные принципы и процедуры имитации, а также представлен пример построения аппроксимационных аналитических решений.

Получены пленочные мембраны на основе интерполиэлектролитных комплексов сополиамида, синтезированного из дихлорангидрида изофталевой кислоты и двух диаминов - 4,4′-(2,2′-дисульфонат натрия)-диаминодифенила и 4,4′-(2,2′-дикарбоновая кислота)-диаминодифенилметила и ряда алифатических полиаминов. Выполнены исследования их механических, сорбционных и массообменных свойств в процессе первапорационного разделения смеси вода-изопропанол. Показана возможность термической сшивки материалов. Изучено влияние амидирования на физико-химические и массообменные свойства пленочных образцов. Рассмотрено изменение разделительных характеристик мембран в зависимости от состава сополиамида. Установлено, что по сочетанию разделительных и транспортных свойств наибольший интерес представляют интерполимерные системы, включающие сополиамид с небольшим (7 мол%) количеством звеньев с карбоксильными группами. Увеличение доли карбоксилсодержащих звеньев в полианионе приводит к росту проницаемости материалов при существенном снижении их селективности. Прочность на разрыв пленочных образцов, изготовленных из интерполиэлектролитных комплексов, включающих сополиамид, составляет 54-92 МПа.

Получены пленочные и композитные мембраны с разделительным слоем на основе интерполиэлектролитного комплекса полиэтиленимина и сополиамида, синтезированного из дихлорангидрида изофталевой кислоты и двух диаминов - 4,4’-(2,2’-дисульфонат натрия)-диаминодифенила и 4,4'-(2,2'-дисульфонат натрия)-диаминодифенилэтилена. Выполнены исследования их массообменных свойств в процессе первапорационного разделения смеси вода-изопропанол. Установлена связь степени превращения в интерполимерной реакции и состава образующихся интерполиэлектролитных комплексов с характеристиками изготовленных мембран. Показано, что наибольшую эффективность в процессах первапорационного разделения водно-спиртовых смесей демонстрируют интерполиэлектролитные комплексы нестехиометрического состава, обогащенные сульфонатсодержащим ароматическим сополиамидом. Рассмотрено влияние состава сополиамида на разделительные характеристики мембран. Сочетание у полученных материалов хороших механических и массообменных свойств позволяет отнести сульфонатсодержащие ароматические сополиамиды к перспективным полианионным компонентам для интерполиэлектролитных комплексов, используемых в процессах гидрофильной первапорации.

Представлены результаты изучения структуры и газотранспортных свойств полимерных мембран, полученных на основе коммерческих пленок из Лавсана™ путем облучения полимерной пленки ионами Ar с последующим травлением в растворе NaOH. Проведенный анализ структуры полимера методом дифференциальной сканирующей калориметрии показал, что облучение матрицы Лавсана™ ионами Ar c энергией 2.4 МэВ/нуклон и флюенсом 6∙107 отв./см2 приводит к снижению степени кристалличности на 20-30%. Получены данные по проницаемости новых мембран для He, H2, O2, Ar, N2, CH4, CO2 и смеси H2/CH4. Найдено, что применение УФ сенсибилизации позволяет увеличить в 4 раза проницаемость исследуемых газов через мембрану на основе Лавсана™ относительно пленок, протравленных без предварительного УФ облучения. Показано, что состав газовой смеси H2/CH4 не влияет на разделительные свойства исследуемых мембран и фактор разделения смеси совпадает с идеальной селективностью газов.

В статье раскрывается проблема необоснованного завышения долговечности кровель из полимерных мембран, допущенного при массовом их внедрении в нашей стране в строительстве и ремонтно-строительном производстве. Статья содержит описание и иллюстрации возникших на значительной площади мембранной кровли характерных трещин, которые привели ее в неработоспособное состояние. В статье приведен всесторонний анализ причин происхождения этих трещин, в том числе влияния конструктивных особенностей мембранных кровель, агрессивного воздействия на них солнечной радиации и крупного града. Сделан вывод о необходимости выбора более стойких к УФ-излучению кровельных полимерных мембран.

Новая гибридная газоразделительная мембрана приготовлена на основе поли(2,6-диметил-1,4-фениленоксида), модифицированного привитым сополиимидом с боковыми цепями полиметилметакрилата. Изменения структуры мембран при введении до 15 мас% модификатора оценивали методом атомно-силовой микроскопии и по изменению плотности. Показано микрофазное разделение в пленках модифицированного полифениленоксида. Введение привитого сополиимида приводит к увеличению плотности гибридных пленок. Транспортные свойства мембран исследованы для серии газов H2, CO2, O2, CН4, и N2. Установлено, что с введением до 10 мас% модификатора проницаемость гибридных мембран для всех газов практически не изменяется, но при этом наблюдается повышение селективности разделения пар газов.

Представлены результаты опытного исследования процесса образования отложений частиц загрязнений при очистке отработанных моторных масел с помощью трубчатых мембран «Владипор» с материалом активного слоя из фторопласта, полисульфона, полиэфирсульфона, полисульфоамида, поливинилхлорида, модифицированного поливинилхлорида.

В работе рассматриваются современные тенденции развития термореактивных связующих и полимерных биндеров, пригодных для получения методом VаRTM (Vacuum assisted Resin Transfer Moulding или вакуумно-инфузионный метод пропитки) конструкционных полимерных композиционных материалов с использованием автоматизированной выкладки.

Оценивается возможность использования полимерных (ПВХ) мембран LOGICBASE™ в регионах России с повышенной сейсмической активностью. Рассмотрен механизм работы полимерных мембран в конструкциях фундаментов в условиях постоянных перемещений и трения. В ходе исследований многоосного растяжения образцы полимерных мембран круглой формы закрепляли в зажимах испытательной камеры, прикладывали гидравлическое давление до момента их разрыва (моделирование работы в деформационных швах). Выявлено, что максимальная прочность образцов при разрыве достигает 6.95 МПа, а удлинение образцов при разрыве составяет 114%. Исследована зависимость деформации образцов от величины прикладываемого гидравлического давления. Показано, что полимерные мембраны обладают высокой изотропией материала, благодаря чему обеспечивается их равномерная работа на растягивающую многоосную нагрузку. Это позволяет использовать их в конструкциях уникальных и стратегических объектов - тоннелей, резервуаров для питьевой воды. Определены коэффициенты трения для системы «полимерный (ПВХ) гидроизоляционный материал - бетонная (железобетонная) конструкция» в условиях повышенной сейсмической активности по шкале MSK-64. Установлено, что ПВХ-мембраны для инженерной гидроизоляции можно использовать в районах строительства с сейсмичностью до 9 баллов по шкале MSK-64.

Выполнен сравнительный анализ электротранспортных и термохимических свойств гомогенных и гетерогенных сульфокатионитовых мембран, модифицированных полианилином. Изучена взаимосвязь между условиями синтеза полианилина в матрице мембран и их электропроводностью, электроосмотической проницаемостью и термостабильностью. Установлено, что условия синтеза полианилина на поверхности гетерогенной мембраны МК-40 слабо влияют на количество введенного модификатора, а электропроводность композитов сохраняется достаточно высокой. Отсутствие влияния условий синтеза полианилина на электропроводность композитов на основе МК-40 свидетельствует о том, что гетерогенность этой мембраны является более существенным фактором, чем условия синтеза полианилина. Исследование термохимических свойств методом термогравиметрического анализа показало существенное увеличение термостабильности гетерогенной мембраны после ее модифицирования полианилином. Для перфторированных мембран изменение их термохимических свойств менее значительно, однако электроперенос ионов и воды после модифицирования полианилином существенно снижается.

Представлены отдельно стоящие тонкие пленки поли (2-гидроксиэтилметакрилата), p (HEMA), мембран, нанесенных методом инициированного химического осаждения из паровой фазы (iCVD). Проведены систематические исследования проникновения молекул модельного красителя через эти отдельно стоящие тонкие пленки, и впервые продемонстрировано влияние параметров процесса на проницаемость и селективность мембран, синтезированных с использованием полностью сухого процесса. Исследования проникновения модельных молекул красителя показывают, что диффузия крупных молекул красителя через мембрану происходит быстрее, чем молекул красителя меньшего размера, из-за потери энтропии конформации. Размеры ячеек мембран контролируются путем настройки коэффициента сшивания полимера, а коэффициенты диффузии молекул модельного красителя alizarin yellow составляют 0,44×10-7 и 1,71×10-7 см2/с для мембран с высокой и низкой степенью сшивания соответственно. Селективность мембран также демонстрируется исследованиями проницаемости красителей с аналогичными размерами, но разной полярностью, и наблюдается, что коэффициент проницаемости гидрофильного красителя в 30 раз больше, чем у гидрофобного красителя аналогичного размера.

Разработка полимеров с высокими разделительными характеристиками для эффективного удаления диоксида углерода из биологических / природных газов является ключом к снижению воздействия CO на окружающую среду2. В этой работе опубликованы свойства получения и газоразделения новых полинорборненов с виниловой добавкой, содержащих оксирановые части в спиро центрах, которые сочетают высокую проницаемость для CO2 с замечательной селективностью по выделению CO2 из его смесей с азотом и метаном. Данные по газопроницаемости эпоксидированного полимера на основе 5-этилиден-2-норборнена превышают верхнюю границу Робсона 2019 года для системы CO2/N2 (проницаемость CO2 составляет 1000 баррелей, α(CO2/N2) = 67)). Эксперименты по разделению со смесями газов подтверждают высокую эффективность разделения этого полимера. В частности, данные по разделению CO2/CH4 выше или близки к верхней границе 2018 года для смешанных газов. Аналогичный эффект введения оксирановых фрагментов в спиро-центры также показан для другого полимера с добавлением винила, полученного из 5-изопропилиден-2-норборнена, и не наблюдается для родственного полимера, содержащего оксирановые фрагменты на концах боковых цепей. Простой синтез эпоксидированного полимера из доступного 5-этилиден-2-норборнена в сочетании с высокой проницаемостью и селективностью по CO2, может открыть окно для промышленного применения этого полимера в важных мембранных процессах, в частности, для переработки природного газа/биогаза.

Разделение газов на основе мембран стало важной областью исследований в области устойчивой энергетики и охраны окружающей среды. Разделение газов является одним из ключевых этапов на нефтеперерабатывающих заводах и в других отраслях, связанных с газом. За последние два десятилетия исследования пористых органических и неорганических материалов, таких как цеолиты, металлоорганические каркасы (MOF), ковалентно–органические каркасы (COF) и их гибриды, постоянно расширялись. Эти материалы вызвали значительный интерес благодаря своей структурной гибкости и выраженной пористости, которые открывают отличные возможности для процессов адсорбции и разделения газов в промышленных условиях. Таким образом, целью этого обзора было предоставить углубленный анализ последних разработок в области мембран на основе MOF, COF и гибридных мембран на основе MOF–COF для разделения газов, подчеркнув их потенциал для практического промышленного применения. В нем также предлагается всестороннее представление о некоторых наиболее важных и передовых материалах, используемых в разделении газов, по сравнению с обычными полимерами. Кроме того, подробно обсуждаются концепции мембран, их эффективность и рентабельность.

Отдельно стоящие пленки гель-полимерных электролитов с поли (винилиденхлорид-соакрилонтрил)/поли (метилметакрилат) получены и проанализированы с использованием спектроскопии переменного импеданса (EIS), инфракрасной спектроскопии (FTIR), метода рентгеновской дифракции (XRD) и термогравиметрического анализа (TGA). При добавлении низкомолекулярных пластификаторов наблюдается повышенная ионная проводимость полимерной матрицы. Полученная ионная проводимость находится в следующем порядке: EC + gBL > PC+ gBL > EC+ PC > EC + DMSO > PC+ DMSO. График проводимости по переменному току показывает три четко очерченных области, такие как низкочастотное отклонение, частотно-независимое плато, представляющее проводимость по постоянному току, и высокочастотную дисперсию. Пониженная диэлектрическая проницаемость на более высоких частотах обусловлена процессом электрической релаксации и поляризацией материала электрода. Возможно, это связано с большим дипольным моментом карбоксильной (C=O) группы, а также нитрильной (C ≡ N) группы в смеси. Наблюдаемое изменение интенсивности колебаний группы C ≡ N в каждой полимерной мембране можно объяснить взаимодействием между функциональными группами как полимеров, так и пластификаторов.

Здесь мы сообщаем о синтезе и исследовании газотранспортных свойств сшитых высокопроницаемых сополимеров из Si-содержащих производных норборнена. Исходные высокомолекулярные сополимеры были получены путем аддитивной сополимеризации 3-триметилсилилтрицикло[4.2.1.02,5]не-7-ен (TCNSi1) с 3-триэтоксисилилтрицикло[4.2.1.02,5]не-7-ен (TCNSiOEt) с хорошими или высокими выходами с использованием Pd-катализатора . Полученные сополимеры включали до 10 мол.% звеньев TCNSiOEt, содержащих реакционноспособные заместители, содержащие Si–O–C. Сшивание было легко осуществлено с использованием простой золь-гель химии в присутствии Sn-катализатора. Образовавшиеся сшитые сополимеры были нерастворимы в обычных органических растворителях. Были определены коэффициенты проницаемости различных газов (He, H2, O2, N2, CO2, CH4, C2H6, C3H8, n-C4H10) в этих сополимерах до и после сшивания и влияние встроенных звеньев TCNSiOEt, а также сшивания на газ были установлены транспортные свойства. В результате было обнаружено, что наблюдалось лишь небольшое снижение газопроницаемости, когда звенья TNCSiOEt были включены в основные цепи, и сополимеры были сшиты. В то же время была повышена селективность по паре C4H10/CH4. Предложенный подход позволил получать сшитые полимеры из Si-содержащих мономеров без потери основных характеристик мембраны.

Полимерные мембраны, чувствительные к раздражителям, привлекли особое внимание благодаря способности своевременно изменять свои физико-химические свойства при воздействии внешнего стимула. Тепло, значение рН, ионная сила, давление, влажность, электрические и магнитные поля, взаимодействие антиген / антитело, химические реакции и свет могут использоваться в качестве триггеров специфических реакций полимерных мембран. В частности, свет является увлекательным стимулом, поскольку это экологически чистая энергия, которую можно модулировать точным и удобным способом. Кроме того, он позволяет дистанционно и бесконтактно взаимодействовать без изменения исходной химической среды. В этом обзоре сообщается о последних достижениях в области светочувствительных полимерных мембран с уделением особого внимания химическим группам и механизмам реагирования.

Перерабатываемые мембраны для молекулярного просеивания являются важными материалами для реализации энергоэффективного улавливания CO2 перед горением при производстве водорода в промышленных масштабах. Однако перспективный дизайн мембран со смешанной матрицей (MMMS), направленный на интеграцию молекулярно-просеивающих свойств нанопористых структур с полимерами, пригодными для промышленной переработки, по-прежнему сталкивается с проблемами производительности и изготовления из-за образования отдельных доменов нанонаполнителей в их полимерных матрицах. Здесь предлагается нетрадиционная конструкция нанокомпозитной мембраны с использованием растворимых органических макроциклических кавитандов (OMC) с настраиваемыми размерами открытых полостей, которые не только уменьшают образование отдельных фаз нанонаполнителя, но и обеспечивают четкое разделение при молекулярном просеивании. Универсальная растворимость в органических растворителях в сочетании с высокоинтерактивными функциональными возможностями OMCS позволяет им получать молекулярно-гомогенное смешивание с матричными полимерами и образовывать только одну целостную непрерывную фазу, имеющую решающее значение для надежной перерабатываемости полимеров. Серия молекулярно-смешанных композитных мембран (MMCMs) на основе полибензимидазола изготавливается путем включения растворимых и термически стабильных OMC, сульфокаликсаренов, с различными размерами полостей. Эти мембраны обеспечивают превосходное высокотемпературное смешивание газа H 2/ CO2 характеристики разделения сравнимы с некоторыми современными мембранами для молекулярного просеивания благодаря эффективному просеиванию газа по размеру через открытые или частично заполненные супрамолекулярные полости. Широко настраиваемые структуры и функциональные возможности OMCS сделали бы их MMCMs привлекательными для других энергоемких методов молекулярного разделения.

Были проведены исследования транспортных свойств и эффективности разделения композитных мембран финиковый пит/полисульфон для газов CO2, CH4, N2, He и H2. Были получены финиковые косточки и переработаны в порошок. Асимметричную плоскую листовую мембрану изготовили методом литья в растворителе с добавлением 2-10 мас.% порошка финиковой косточки. Определение характеристик мембран проводилось с использованием газопроницаемости под высоким давлением, рентгеноструктурного, термогравиметрического и сканирующего электронного микроскопического анализов. Эффективность разделения и стойкость к пластификации оценивались с точки зрения газопроницаемости, селективности и давления пластификации соответственно. Эксплуатационные свойства, зависящие от времени, оценивались при давлении 40 бар в течение 75 дней. Полученные результаты показали наивысшие значения селективности 1,54 (He/H2), 3,637 (He/N2), 2,538 (He/CO2), 2,779 (He/CH4), 3,179 (H2/N2), 3,907 (H2/CO2), 1,519 (CH4/N2), 1,650 (CO2/N2) и 1.261 (CO2/CH4) при давлении и температуре подачи 10 бар и 35°C соответственно. Полученная композитная мембрана показала увеличение селективности по He/N2 и CO2/CH примерно на 39,50 и 66,94% соответственно и CO4 соответственно по сравнению с чистой полисульфоновой мембраной. Таким образом, мембранные композиты обладают некоторыми возможностями мембранного газоразделения.

Перезаряжаемые литий-металлические аккумуляторы обладают потенциалом для удовлетворения потребностей в аккумуляторах с высокой плотностью энергии для электромобилей и сетевых систем хранения энергии. Однако достижение этой цели требует решения не только проблем безопасности, но и сокращения срока службы батареи из-за нежелательного сочетания дендритов лития и межфазных образований твердого электролита. Здесь сообщается о серии не содержащих микротрещин анионных сетчатых полимерных мембран, образованных простой одностадийной реакцией click, которые демонстрируют высокую катионную проводимость 3,1 × 10-5 С/См-1 при высокой температуре, широкий диапазон электрохимической стабильности до 5 В, замечательную устойчивость к росту дендритов и выдающуюся невоспламеняемость. Эти улучшенные свойства обусловлены присутствием связанных анионов бората в мембранах без микротрещин, что способствует ускорению селективного транспорта катионов Li+, а также подавлению роста дендритов. В конечном счете, не содержащие микротрещин анионные сетчатые полимерные мембраны делают литий-металлические аккумуляторы безопасным и долговечным устройством накопления энергии при высоких температурах с сохранением емкости 92,7% и средним кулоновским КПД 99,867% при 450 циклах.

Высокоэффективные полимерные мембраны для разделения газов представляют интерес для разделения на молекулярном уровне в химических, энергетических и экологических процессах промышленного масштаба. Для преодоления присущего компромисса между проницаемостью и селективностью крайне желательно создание постоянной микропористости в полимерных матрицах, поскольку пористые структуры могут обеспечивать высокий фракционный свободный объем для облегчения транспортировки газа через плотный слой. Здесь рассматриваются последние разработки, касающиеся формирования пористых полимерных мембран, и потенциальные стратегии проектирования пористой структуры.

На сегодняшний день в конструкции мембран для разделения газов используются изотропные материалы, которые контролируют величину массового потока. Однако массовый поток является векторной величиной, и контроль его направления необходим для полного управления процессами диффузии. В этой статье мы показываем, как анизотропные материалы позволяют контролировать направление массового потока в мембранах и использовать новые механизмы разделения газов. Мы представляем подробное исследование конструктивных параметров, которые контролируют селективность и проницаемость мембран, и демонстрируем, что этот новый класс мембран может обеспечить новый путь для достижения значительных улучшений по сравнению с изотропными материалами. Мы также обсуждаем, как предлагаемые анизотропные мембраны могут быть сконструированы с использованием изотропных материалов. Принципы массовой диффузии для разделения газов в анизотропных мембранах отличаются от принципов массовой диффузии в изотропных материалах, и эта новая стратегия проектирования мембран может открыть новые возможности в процессах мембранного разделения.

Прогнозирование газопроницаемости ионных жидко-полимерных мембран (ILPM) имеет большое значение для разработки эффективных газоразделительных мембранных материалов. Доступные модели для прогнозирования газопроницаемости CO2 через ионные жидкополимерные мембраны были проанализированы с использованием литературных данных. Модель Максвелла была выбрана для модификации из-за возможности относительно точного прогнозирования. Модель Максвелла была модифицирована для ионных жидко-полимерных мембран путем включения модельного параметра k для определения эффективности объемной доли дисперсной фазы. Разработанная методология была протестирована на различных системах ионных жидко-полимерных мембран для валидации. При использовании текущего подхода наблюдалось удовлетворительное соответствие прогнозируемой и экспериментальной проницаемости. Этот метод может быть использован для прогнозирования газопроницаемости CO2 через ионные жидкополимерные мембраны.

Нанолистовые листы оксида графена (GO), уложенные параллельно субнанометровым каналам, могут демонстрировать превосходную способность к просеиванию по размеру для мембранного разделения газов. Однако молекулам газа приходится диффундировать через извилистые наноканалы, что приводит к низкой проницаемости. Здесь мы демонстрируем два универсальных подхода к модификации GO (до изготовления мембраны методом вакуумной фильтрации) для коллективного повышения газопроницаемости: травление с использованием перекиси водорода для образования нанопор в плоскости и подкисление с использованием соляной кислоты. Например, мембрана, приготовленная при рН 5,0 с использованием GO с 4-часовым травлением (HGO-4h), показывает проницаемость He 5,3 барреля и селективность He/CH4, равную 800, что в 5 и 1,5 раза выше, чем у мембран GO, соответственно. Снижение pH с 5,0 до 2,0 для HGO-4h повышает проницаемость He до 57 баррелей и селективность по He/ CH4 до 1800. HGO-4h, приготовленный при рН 2,0, проявляет разделительные свойства H2/CO2, H2/N2, He/N2 и He/CH4, превышающие соответствующие верхние границы.

Полимеры, содержащие СО2-филактогруппы, представляют большой интерес для мембран для разделения CO2/легких газов, поскольку сродство к CO2 может эффективно повышать растворимость CO2 и, следовательно, проницаемость. В этом исследовании полисульфоны (PSU), модифицированные различной степенью бензилдиметиламина (DMA), бензилтриметиламмонийфторидом (TMAF) и бензилтриметиламмонийодидом (TMAI), были синтезированы с использованием последовательных реакций постфункционализации и исследованы на разделение CO2/N2 и CO2/CH4. Были изучены физические свойства этих полимеров, включая плотность, долю свободного объема и температуру стеклования. В отличие от общепринятого мнения, что третичные амины проявляют сродство к CO2, это исследование убедительно показывает, что заместитель DMA оказывает минимальное влияние на растворимость CO2 и селективность по растворимости CO2 в легких газах в PSU в сухом состоянии. С другой стороны, включение TMAF и TMAI в PSU значительно увеличивает растворимость CO2. В частности, введение TMAI с молярным отношением 1,07 по отношению к повторяющимся единицам PSU увеличивает растворимость CO2/CH4 с 4,4 до 5,2, селективность по проницаемости CO2/CH4 с 21 до 45 и CO2/NСелективность по проницаемости для 2 с 24 до 33 при 35 ° C, в то время как проницаемость для CO2 снижается с 5,6 до 1,7 Баррелей. Влияние этих функциональных групп в блоках питания на диффузионную способность газа и селективность по диффузионной способности может быть удовлетворительно описано моделью свободного объема.

Двухслойные полимерно-металлические суспендированные мембраны из поли (метилметакрилата) (PMMA) и алюминия (Al) были изготовлены с использованием технологии мокрого переноса, при которой полиэлектролит (полидиаллилдиметиламмоний хлорид – PDAC) использовался в качестве расходуемого слоя для облегчения отделения тонких слоев PMMA/ Al от держателей подложек. Таким образом были получены отдельно стоящие мембраны PMMA/Al с выдающимся соотношением диаметра (3,5 мм) к толщине (400 нм), равным ∼104. Мембраны подвергались механическому и электротермическому воздействию, а их модальные характеристики были охарактеризованы с помощью лазерной доплеровской виброметрии. Первые пять мод колебаний были обнаружены в диапазоне 2-25 кГц. Было замечено, что вторая и пятая вырожденные моды разделяются, вероятно, из-за неравномерного натяжения или массовой плотности. Мембраны могут достигать амплитуд колебаний порядка нескольких десятков микрон. При выполнении электротермического воздействия было замечено, что амплитуду единственной моды можно настроить, контролируя путь прохождения электрического тока через мембрану.

Для изготовления ультратонких двумерных мембран из нескольких биосовместимых полимерных материалов был разработан новый расходуемый процесс формования с использованием одной маски. Процесс изготовления аналогичен технологическому процессу расходных микроэлектромеханических систем (MEMS), при котором форма создается из материала, который может быть покрыт биоразлагаемым полимером и впоследствии вытравлен, оставляя после себя очень тонкую полимерную мембрану. В этой работе использовались два различных расходуемых формовочных материала, диоксид кремния (SiO2) и резист для отрыва (LOR). В качестве модельных полимеров были выбраны три различных биоразлагаемых материала: поликапролактон (PCL), поли (молочнокислый-co-гликолевая кислота) (PLGA) и полиглицидилметакрилат (PGMA). Мы демонстрируем, что этот процесс позволяет изготавливать полимерные мембраны со сквозными отверстиями толщиной 200-500 нм с различной геометрией, размерами пор и пространственными особенностями, приближающимися к 2,5 мкм, с использованием формы, изготовленной методом одноконтактной фотолитографии. Кроме того, мембраны могут монтироваться на опорные кольца, изготовленные либо из SU8, либо из PCL, для удобства обращения после выпуска. Совместимость клеточных культур изготовленных мембран оценивали с помощью эндотелиальных клеток микрососудов кожи человека (HDMECs), посеянных на ультратонкие пористые мембраны, где клетки росли и образовывали сливающиеся слои с хорошо налаженными межклеточными контактами. Кроме того, клетки трабекулярной сети человека (HTMCs), культивированные на этих каркасах, показали такую же пролиферацию, как и на плоских подложках PCL, что дополнительно подтверждает их совместимость. В совокупности эти результаты продемонстрировали осуществимость нашего расходуемого процесса изготовления для получения биосовместимых ультратонких мембран с определенной микроструктурой (т.Е. Порами), которые потенциально могут быть использованы в качестве подложек для тканевой инженерии.

В настоящее время быстро разрабатываются новые методы процессов газоразделения. Разделение CH4/ CO2 и CH4/ H2 обычно является предметом большинства смежных исследований, особенно в процессе мембранного газоразделения, из-за их важной роли в промышленности. В этом исследовании мы попытались улучшить разделительные свойства мембраны со смешанной матрицей полисульфон / цеолит 4A путем модификации поверхности частиц цеолита. Метод включал простую ионообменную реакцию хлорида магния с гидроксидом аммония, которая приводила к образованию и осаждению нитевидных нитей гидроксида магния на поверхности цеолитов. Нитевидные структуры могли бы исключить большинство неселективных пустот, блокируя полимерные цепи через них, и, следовательно, улучшить проницаемость, селективность и модуль упругости мембран. Дифракция рентгеновских лучей, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия (SEM), инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье и динамический механический анализ подтвердили все изменения, зарегистрированные после обработки частицами и мембранами. Изображения SEM показали лепестковидную морфологию нитевидных волокон, которые образовались на поверхности частиц после реакции с гладкой поверхностью необработанного цеолита. При загрузке частиц в полимерную матрицу в количестве 30 мас.% селективность по H2/CH4 и CO2/CH4 увеличилась на 69 и 56% соответственно; напротив, проницаемости по H2 и CO2 снизились на 2,5 и 10% соответственно. Модуль упругости обработанной мембраны также увеличился на 14 и 30% по сравнению с чистыми и необработанными мембранами соответственно.

Асимметричная полисульфоновая (PSF) мембрана была разработана и модифицирована в композитную мембрану PSF / полидиметилсилоксан (PSF / PDMS) методом нанесения покрытия погружением. Влияние времени нанесения покрытия PDMS на свойства мембраны изучалось с помощью сканирующей электронной микроскопии, термогравиметрического анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии, инфракрасного излучения с уменьшенной общей отражательной способностью и преобразованием Фурье и угла контакта с водой. Увеличение времени нанесения покрытия PDMS привело к снижению термической прочности мембраны PSF. Значения угла контакта с поверхностью показали, что увеличение времени нанесения покрытия PDMS увеличило гидрофобность поверхности мембран. Была оценена эффективность разделения мембран по CO2/CH4, и с увеличением времени нанесения покрытия PDMS наблюдалось увеличение идеальной селективности по CO2/CH4. При давлении подачи 10 бар селективность PSF увеличилась до 65% после нанесения покрытия PDMS в течение 30 минут. Модификация полимерной мембраны в композитную мембрану открыла путь к повышению эффективности газоразделения в полимерных мембранах.

Серия сополимеров этиленвинилацетата (EVA) и нанокомпозитных мембран со слоистым двойным гидроксидом (LDH) с содержанием винилацетата 40 мас.% (EVA/12AA-LDH) были получены путем смешивания растворов и литья и применялись для мембранного разделения газов. Органическая модификация нанослоев LDH (12AA–LDH) была произведена с использованием 12-аминододекановой кислоты (12AA) в качестве интеркалятора методом совместного осаждения. Расстояние между нанослоями 12AA–LDH составляло приблизительно 2,10 нм, исходя из расчета рентгеновской дифрактограммы, что является результатом успешной интеркаляции 12AA в LDH. Результаты изотерм адсорбции CO2 показывают, что 12AA–LDH намного привлекательнее, чем чистый LDH, что повышает эффективность мембранного разделения. Кроме того, была успешно получена отслоившаяся / интеркалированная морфология структур 12AA–LDH /LDH в матрице EVA, которую можно четко наблюдать на микрофотографиях с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Были измерены показатели газопроницаемости нанокомпозитных мембран EVA/12AA–LDH, и результаты показывают, что наилучшая селективность по CO2/N2 увеличилась до 20 при проницаемости по CO2, равной 119.21 баррер для композитной мембраны, содержащей 1,0 мас.% 12AA–LDH. Этот результат объясняется не только отслоением нанослоев 12AA–LDH в матрице EVA, но и тем, что аминогруппа 12AA больше взаимодействует с CO2 по сравнению с N2 и O2. Этот результат иллюстрирует, что 12AA–LDH обладает высоким потенциалом для использования в качестве добавки в мембранах для улавливания CO2.

Исследуется роль механического ограничения на разрыв мембран из перфторсульфоновой кислоты и полиэтилена. Тест на ограниченный разрыв используется для измерения энергии разрыва, когда образование пластиковой зоны перед концом разрыва ограничено. Показано, что энергия разрыва уменьшается с увеличением ограничений, связанных с меньшей пластической зоной, и намного ниже энергии разрыва без ограничений. Кроме того, продемонстрировано, что скорость разрыва оказывает сильное влияние на энергию разрыва, когда мембрана не натянута, но гораздо меньший эффект, когда мембрана натянута, поскольку процессы вязкоупругой релаксации, связанные с пластической зоной, подавлены. Результаты подчеркивают значительную роль механических ограничений на поведение мембран при разрыве как во время тестирования, так и при применении.

В контексте растущего интереса к фосфоно-кислотным протонообменным мембранам (ПЭМ) для применения в топливных элементах мы сообщаем о новых ПЭМ, содержащих недорогой полиэтиленоксид (ПЭО), ковалентно связанный силоксановыми связями, SiOSi, с фосфоновой кислотой (PA). Ключевой химический процесс формирования этих мембран включает реакции гидролиза и конденсации ПЭО с триэтоксисилилпропил-кэпом и предварительно гидролизованного диметилфосфонатоэтилтриметоксисилана (DMPTMS) с образованием ПЭО-Si2O3-PA и сшитых цепей ПЭО-Si2O3-ПЭО силилаорганических квиоксановых компонентов. Si2O3 может улучшать термические и механические свойства мембран. Составы мембран варьировались в зависимости от (а) соотношения реагентов (б) молекулярной массы ПЭО или использования оксида полипропилена (PPO) (в) включения групп, расширяющих цепь, метилендифенилдиизоцианата (MDI) или гексаметилендиизоцианата (HDI). Эти варианты позволили получить пять семейств мембран, одно из которых обеспечило полную группу прочных мембран с массовым содержанием ПА в% x, ПАx в диапазоне от0до33 мас.%. Они были изучены с использованием ATR-FTIR, способности поглощения воды сухой мембраной, ионообменной емкости (IEC) и электропроводности от комнатной температуры до 120 ° C при 100% относительной влажности. Проводимость увеличивается с увеличением PAx до 15 мС/см-1 при 120 ° C, энергии активации 0,1 эВ для мембранного PA33, для которых описаны термогравиметрический анализ (TGA), дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC), сканирующая электронная микроскопия (SEM) и энергодисперсионный рентгеноструктурный анализ (EDAX). Представлены сравнительные характеристики пяти семейств мембран.

Мембраны, обеспечивающие быстрый и селективный перенос протонов и катионов, необходимы для широкого спектра устройств электрохимического преобразования и накопления энергии, таких как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) и окислительно-восстановительные батареи (RFB). Здесь мы сообщаем о новом подходе к разработке ионоселективных полимерных мембран, пригодных для обработки растворами, как с присущей им микропористостью, так и с функциональностью, обеспечивающей ионопроводимость. Синтезируются полимеры с жесткими и искривленными остовами, которые включают гидрофобные фторированные и гидрофильные функциональные группы сульфоновой кислоты, для получения мембран с отрицательно заряженными ограниченными ионными каналами субнанометрового размера. Быстрый перенос протонов и катионов через эти мембраны и высокая селективность по отношению к окислительно-активным молекулам нанометрового размера обеспечивают эффективную и стабильную работу водной щелочно-хиноновой окислительно-восстановительной батареи и водородного топливного элемента PEM.

Перенос протонов важен во многих областях химии и биологии и особенно важен в области топливных элементов с протонообменными мембранами и биосовместимых протонных полупроводников. В этих устройствах используются мембраны для управления потоком протонов либо для выработки энергии, либо для более тесной связи электроники и биологии. В настоящем исследовании мы используем моделирование молекулярной динамики ab initio, включая влияние приложенных электрических полей, чтобы получить атомистическое представление о собственной проводимости полимеров на основе хитозана и продемонстрировать, что хитозан не является значительным источником трения для транспорта протонов при увеличении количества свободных ионов.

Гибкие мембраны с низким сопротивлением играют важную роль в мягкой электронике в качестве датчиков для робототехники, мониторинга движений тела, наногенераторов для сбора кинетической энергии от движений тела и гибких аккумуляторов. Несмотря на большие усилия, все еще ведутся поиски низкоомных, механически стабильных мембран больших размеров, которые допускают очень высокую деформируемость без ущерба для сопротивления, производят низкий джоулев нагрев и пропускают газы для комфорта человека. Здесь одно из решений заключается в размещении сети серебряных нанопроволок (AgNWs) между двумя высокопористыми мембранами из термопластичного полиуретана (TPU) методом электроспирализации. Мембраны обладают механической прочностью (как при изгибе, так и при растяжении), прочной поверхностью раздела и большой деформацией перед разрывом (более 700%). Сопротивление листа составляет всего <0,1 (± 0,01) Ом кв.м-1, и изменяется всего на 1,6 (± 0,43) Ом кв.м-1 при растяжении до 100%. Сочетание эластичности полимера и сетчатой структуры AgNW обеспечивает обратимое изменение сопротивления, превышающее 100%-ную деформацию. Для получения изображения на месте и характеристики морфологии сети AgNW в различных условиях растяжения используется подробный термографический анализ. Считается, что эта гибкая, многослойная, электропроводящая мембрана является хорошим кандидатом для интеллектуальных носимых устройств и мягких роботов.

Металлический цинк стал многообещающим анодным материалом для систем высокоэнергетических аккумуляторов благодаря своей высокой теоретической емкости (820 мА*ч/г-1), низкому окислительно-восстановительному потенциалу для двухэлектронных реакций, экономичности и присущей ему безопасности. Однако современные металлические цинковые батареи сталкиваются с проблемами низкой кулоновской эффективности и ограниченного срока службы из-за неконтролируемого роста дендритов, коррозионной реакции выделения водорода (HER) и разложения водного электролита ZnSO4. Здесь мы сообщаем о межфазном инженерном подходе, позволяющем уменьшить рост дендритов и уменьшить коррозионные реакции за счет разработки ультратонких селективных мембран, нанесенных на цинковые аноды. Мембраны субмикронной толщины, полученные из полимеров с внутренней микропористостью (PIMs), с порами с настраиваемой взаимосвязью, облегчают регулируемый транспорт ионов Zn2 +, тем самым способствуя равномерному процессу нанесения покрытия / снятия покрытия. Благодаря защите PIM-мембран цинковые симметричные элементы обеспечивают стабильную цикличность в течение 1500 ч при 1 мА / см2 и емкости 0,5 мАч, в то время как полноценные элементы с катодом NaMnO2 стабильно работают при 1 А / г-1 в течение 300 циклов без снижения емкости. Наша работа представляет собой новую стратегию получения многофункциональных мембран, которые могут способствовать разработке безопасных и стабильных металлических цинковых батарей.

В этом исследовании было исследовано влияние типа растворителя и наночастиц кремнезема и цеолита 4A на газоразделительные свойства полиимидных (PI) мембран. Исследовали газоразделение мембран на основе чистых растворителей диметилформамида (DMF), n-метил-2-пирролидона (NMP), диметилацетамида (DMAc) и диметилсульфоксида (DMSO). Полученные PI-мембраны с использованием DMAc и DMSO показали наивысшую селективность и проницаемость соответственно. В связи с этим было оценено влияние их смешивания на транспортные свойства PI. Подготовленная мембрана с использованием смеси ДМСО/DMAc в объемном соотношении 1:3 показала наилучшие показатели газоразделения по сравнению с верхней границей Робсона. Включение 20 мас.% наночастиц кремнезема и цеолита 4A в PI-мембрану показало, что селективность по CO2/CH4 увеличилась с 39,4 до 57,6 и 68,5 соответственно. Кроме того, газотранспортные свойства мембран со смешанной матрицей на основе ПИ были удовлетворительно предсказаны модифицированной моделью Максвелла. Кроме того, были определены характерные параметры частиц, инкапсулированных межфазным слоем.

Разработана математическая модель для моделирования процесса газоразделения с использованием модуля из полых волокнистых мембран. В частности, представлен новый численный метод, основанный на мгновенном расчете. Такой анализ позволяет определить требуемые свойства мембраны, необходимые для достижения интересующей производительности модуля. Эта модель проверена для шести различных случаев газоразделения, взятых из литературы. Затем проверенная модель используется для исследования влияния проницаемости O2 и N2 на извлечение O2 и мольную долю O2 в потоке пермеата. Также предлагается реалистичный двухступенчатый процесс обогащения воздухом для производства O2 с использованием промышленного модуля с другим количеством волокон. Более того, эта модель используется для моделирования процесса очистки природного газа с использованием единого блока для определения требуемой площади разделения мембраны и потерь 4 СН. Наконец, предлагается двухэтапный процесс для равного увеличения мольной доли ретентата CH4 и уменьшения потерь CH4.

Серия сшитых отдельно стоящих олиго (окись этилена)-со- (полидиметилсилоксан-норборненовых) мембран различного состава синтезируется методом метатезисной полимеризации in situ с раскрытием кольца. Эти мембраны демонстрируют удивительно высокую проницаемость для CO2 (3400 баррелей), а их эффективность разделения приближается к верхней границе Робсона. Превосходная проницаемость этих сополимерных мембран обеспечивает большой потенциал для применения в реальных условиях, где необходимо разделять огромные объемы газов. Установлено, что газотранспортные свойства этих пленок прямо пропорциональны включению содержания олиго (окиси этилена), что обусловлено повышением селективности изменения растворимости в сополимерной матрице. В этой работе проводится систематическое исследование того, как можно повысить эффективность газоразделения в каучуковых мембранах путем настройки СО2-филичности составляющих их мономерных субъединиц.

Совместное нанесение фенолов и аминов на основе химии мидий привлекло большое внимание в области науки и технологий о поверхности и интерфейсах. Однако большинство систем нанесения по-прежнему ограничены фенолами, содержащими по крайней мере одну катехоловую группу. В этой работе сообщается о новой системе совместного нанесения под действием ферментов на основе природного фенола (гентизиновая кислота, GA) и разновидности биомакромолекулы (хитозан, CS). Благодаря катализу лакказы GA может окисляться и в дальнейшем вступать в реакцию с CS с образованием эффективных поверхностных покрытий на различных подложках, таких как полипропиленовая микрофильтрационная мембрана (PPMM). Процесс совместного нанесения занимает всего 40 минут при комнатной температуре и придает мембране супергидрофильность и суперолеофобность под водой. Модифицированные мембраны демонстрируют отличные характеристики разделения, возможность повторного использования и долговременную стабильность при разделении эмульсий типа "масло в воде". Модифицированные мембраны обладают высокой заряженностью (pI ≈ 7,2) и способны эффективно адсорбировать красители. Кроме того, модифицированные мембраны обладают лучшими свойствами по сопротивлению белкам по сравнению с новыми мембранами. Эта работа демонстрирует экологичный, мягкий и высокоэффективный процесс модификации поверхности, основанный на лакказном катализе. Система совместного нанесения происходит из природных источников и расширяет семейство фенолов для создания многофункциональных поверхностных покрытий.

Полимеры являются перспективными материалами для газоразделительных мембран. Однако компромисс между газопроницаемостью и селективностью остается препятствием для создания полимерных мембран, которые демонстрируют высокую газопроницаемость при желаемой эффективности разделения. Улучшение микропористости полимеров представляет интерес для газоразделительных мембран для улучшения характеристик транспортировки газа. Модификации полимеров путем (а) включения присущих им микропористых звеньев и / или (б) увеличения жесткости цепи могут улучшить микропористость обычных полимерных мембранных материалов, таких как полиимиды. Эти стратегии приняты для новых классов микропористых полимеров, термически перегруппированных (TR) полимеров и полимеров с внутренней микропористостью (PIMs), чтобы максимизировать газотранспортные свойства. Их выдающиеся газоразделительные характеристики переопределили традиционные компромиссы. Целью данного обзора является изучение достижений в области микропористых полимеров для газоразделения. Перечислены подходы к TR-полимерам и PIMs для повышения их микропористости, а также дана оценка их разработок в контексте пересмотра пределов производительности для промышленно значимых приложений разделения газов.

Проблемы, с которыми сталкиваются полимерные имплантаты в организме человека, выдвигают более высокие требования. Здесь был предложен метод легирования in situ для введения наночастиц металлов в полимерные мембраны для реализации нескольких биомедицинских функций путем длительного равномерного и медленного высвобождения ионов металлов. В качестве объектов исследования были выбраны два вида полимерных пленок: пленки из плоского поливинилового спирта (PVA) и пористого полиуретана (pPU) с добавлением наночастиц оксида цинка и меди соответственно. Были охарактеризованы структуры полимерных мембран, легированных наночастицами металлов, и изучены особенности высвобождения ионов металлов и их биомедицинские эффекты. Результаты показали, что высвобождающиеся ионы цинка могут проявлять антибактериальные свойства и способствовать пролиферации остеобластов, в то время как высвобождающиеся ионы меди могут выполнять задачи антикоагуляции, противомикробного действия и стимулирования роста эндотелиальных клеток. Метод легирования in situ может иметь большой потенциал для создания многофункциональных пленок из биоматериалов для разнообразных биомедицинских применений.

Двумерные полимеры (2DPs) и их многослойные 2D-ковалентные органические каркасы (2D COF) обладают большим потенциалом для получения устойчивой осмотической энергии. Зарождающимся исследованиям еще предстоит одновременно достичь высокого ионного потока и селективности, в первую очередь из-за неэффективной динамики переноса ионов. Это напрямую связано с ультрамалым размером пор (<3 нм), что намного меньше двойной длины Дебая в разбавленном электролите (6-20 нм), а также с низкой плотностью заряда (<4,5 мкм-2). Здесь мы представляем 2DP-мембрану на основе π-сопряженного виологена (V2DP), обладающую большим размером пор 4,5 нм, стратегически усиливающую перекрытие двойного электрического слоя в сочетании с исключительной плотностью положительного поверхностного заряда (~ 6 мкм-2). Эти характеристики позволяют мембране обеспечивать высокий поток анионов при сохранении идеальной селективности. Примечательно, что мембраны V2DP обеспечивают впечатляющую плотность тока 5,5 × 103 А/м-2, превосходя контрольные показатели, установленные ранее описанными наножидкостными мембранами. В сценарии практического применения, включающем смешивание искусственной морской и речной воды, мембраны V2DP демонстрируют значительный коэффициент переноса ионов - 0,70 по отношению к Cl−, обеспечивающие выдающуюся плотность мощности ~55 Вт /м-2. Теоретические расчеты показывают важную роль большого количества сайтов переноса анионов, которые действуют как сайты связывания, равномерно расположенные в положительно заряженных N-содержащих пиридиновых кольцах. Эти сайты связывания обеспечивают кинематическую связь и разъединение между анионами и каркасом V2DP, создавая непрерывный путь переноса ионов Cl−. Эта работа демонстрирует большие перспективы ультратонких мембран 2DP большой площади с высокоорганизованными сетями переноса заряженных ионов при применении для осмотического преобразования энергии.

Поверхностный слой, то есть поверхностно-плотный слой с относительно меньшей пористостью, может значительно препятствовать проницаемости пористых полимерных мембран. В этой работе с помощью комбинации эксперимента и моделирования методом конечных элементов предлагается простая стратегия, основанная на многослойной структуре, для устранения поверхностного слоя. Результаты моделирования показывают, что удаление слоев оболочки может увеличить поток воды из пористых мембран более чем в 4 раза. В эксперименте сначала изучается механизм образования поверхностного слоя для пористых мембран, изготовленных из смеси поли (эфир-эфиркетон)/поли (эфиримид) (PEEK/PEI) на основе кристаллизационной матрицы. Обнаружено, что более сильное взаимодействие между PEI и пленкой, выделяющей полиимид, во время горячего прессования является причиной появления поверхностных слоев полученных мембран. Согласно этому механизму, мембрана PEEK без обшивки получается из сэндвич-структуры PEI/(смесь PEEK/PEI)/PEI. Испытание на разделение показало, что мембрана PEEK, изготовленная по новой стратегии, сохранила коэффициент отбраковки и увеличила текучесть в 3-5 раз, как и предсказывает результат моделирования. Кроме того, универсальность разработанной многослойной стратегии была подтверждена в смеси полиформальдегид/ поли (L-молочная кислота) (POM/PLLA) (кристаллическая система). Наши результаты обеспечивают новое решение для регулирования поверхностного слоя пористых мембран.

Нанолистовые структуры на основе металлорганического каркаса (MOF) могут служить идеальными строительными блоками мембран молекулярных сит благодаря их структурному разнообразию и минимальному барьеру массопереноса. На сегодняшний день поиск подходящих нанолистовых материалов MOF и простое изготовление высокоэффективных мембран на основе нанолистовых материалов MOF остаются серьезной проблемой. Модифицированный метод мягкого физического отшелушивания использовался для измельчения пластинчатого амфипротонного MOF на нанолистовые материалы с высоким соотношением сторон. В результате были успешно получены ультратонкие мембраны толщиной менее 10 нм, которые продемонстрировали замечательные характеристики разделения H2/CO2 с коэффициентом разделения до 166 и проницаемостью H2 до 8×10-7 моль м-2 с-1 Па-1 при повышенных температурах тестирования благодаря четко определяемому эффекту исключения размера. Эта мембрана на основе нанолистовых материалов имеет большие перспективы в качестве сверхпроницаемой газоразделительной мембраны следующего поколения.

Ультратонкие мембраны с непрерывным металлорганическим каркасом (MOF) обладают потенциалом для достижения высокой газопроницаемости и селективности одновременно при разделении газов, которое в других случаях затруднено, но, за редким исключением для мембран с цеолитно-имидазолятным каркасом (ZIF), современные методы не позволяют удобно реализовать практическое изготовление на большой площади. Здесь мы предлагаем стратегию направленного распределения ионов металла с обратной диффузией лиганда в биполимере для получения ультратонких MOF-мембран большой площади на слоях гибкой полимерной подложки. Биполимер направляет ионы металлов для образования сшитой двумерной (2D) сетки с равномерным распределением ионов металлов по слоям подложки. Обратная диффузия лиганда контролирует подачу молекул лиганда, доступных для образования зародышей, что приводит к непрерывному росту ультратонких MOF-мембран большой площади. Мы сообщаем о практическом изготовлении трех типичных бездефектных MOF-мембран площадью более 2400 см2 и ультратонких селективных слоев (50-130 нм), включая ZIFs и MOF с карбоксилатным линкером. Среди них мембрана ZIF-8 обладает высокой газопроницаемостью - 3979 ГПУ при C3Ч6, с хорошей селективностью по смешанным газам (43,88 для C3Ч6/C3Ч8). Чтобы проиллюстрировать их масштабируемость, были подготовлены мембраны MOF, которые были встроены в спирально намотанные мембранные модули с активной площадью 4800 см2. Мембранный модуль ZIF-8 обеспечивает высокую газопроницаемость (3930 GPU для C3Ч6) при приемлемой селективности по идеальному газу (37,45 для C3Ч6/C3Ч8).

Мембраны предлагают потенциально энергоэффективное и компактное решение для сокращения выбросов CO2 и борьбы с глобальным потеплением. Однако разработка мембран с использованием передовых материалов для обеспечения высокой проницаемости и разумной селективности является насущной необходимостью. В этом контексте серия мембран из сопряженных микропористых полимеров (CMP) на основе карбазола изготавливается толщиной в несколько сотен нанометров путем электрополимеризации in situ для улавливания углерода после сгорания. Полученные результаты показывают, что различные экспериментальные условия, включая концентрацию мономера, электрический потенциал и циклическое вольтамперометрическое число (CV), в значительной степени влияют на степень полимеризации CMP на основе карбазола, тем самым влияя на способ упаковки полимерной цепи. Оптимальная степень полимеризации приводит к большему размеру микропор и более высокому фракционному свободному объему (FFV), что обеспечивает быстрый перенос СО2. Исследование впервые демонстрирует возможность использования CMPs для изготовления тонкопленочных композитных мембран (TFC) для улавливания углерода после сгорания и подтверждает высокую управляемость их микропор. Эти сведения служат наглядным руководством для дальнейшего совершенствования применения CMP при изготовлении мембран для разделения газов и в других областях, требующих точного образования микропор и проектирования.

Поликристаллические металлорганические каркасные слои (MOF) имеют большие перспективы в качестве мембран с молекулярным ситом для эффективного разделения газов. Тем не менее, высокая кристалличность имеет тенденцию вызывать межкристаллические дефекты / трещины в близлежащих кристаллах, из-за чего кристаллические пористые материалы сталкиваются с большой проблемой при изготовлении бездефектных мембран. Здесь впервые мы демонстрируем баланс между кристалличностью и пленкообразованием MOF-мембраны с помощью простой стратегии модуляции in situ. Монокарбоновая кислота была введена в качестве модулятора для регулирования кристалличности посредством конкурентного комплексообразования и, таким образом, одновременного контроля состояния пленкообразования во время роста мембраны. Путем регулирования соотношения кислоты-модулятора/ кислоты-линкера был достигнут соответствующий баланс между этим структурным “компромиссом”. Полученная MOF-мембрана с умеренной кристалличностью и согласованной морфологией подвергается молекулярному просеиванию для разделения H2/CO2 с селективностью до 82,5.

Как гидрофобные, так и гидрофильные загрязнения наносят ущерб нашей окружающей среде, и их необходимо устранять. Однако способы очистки воды от различных загрязнений могут быть специфическими из-за гидрофобности различных молекул. Поэтому важно разделять загрязняющие вещества с разной гидрофобностью. В этой работе мы разработали метод диффузионного разделения, основанный на селективности по гидрофобности полимерных мембран, селективность которых по отношению к гидрофильным и гидрофобобным загрязнителям может достигать более 100. Добавляя рН-чувствительный мономер в гидрофобную полимерную мембрану, проницаемость мембраны может регулироваться окружающим рН, и селективность не снижается. С помощью результатов анализа характеристик угла контакта, сканирующего электронного микроскопа и механических свойств мы доказываем, что полимерная мембрана, чувствительная к раздражителям, в разных состояниях обладает аналогичными свойствами с невосприимчивыми аморфными полимерными мембранами с высокой селективностью разделения.

Мембраны с быстрым и селективным переносом ионов обладают большим потенциалом для использования в приложениях, связанных с водой и энергией. Структура и материал мембран играют ключевую роль в повышении их эксплуатационных характеристик. Сопряженные микропористые полимеры (CMPS) как новые мембранные материалы обладают равномерным размером пор, большой площадью поверхности и превосходной химической стабильностью, но их механические свойства низкие из-за их хрупкости. Здесь представлена гибкая ионная мембрана CMP с точно подобранной архитектурой и химическим составом пор, полученная с помощью стратегии коэлектрополимеризации (COEP). Структура содержит жесткие мономеры для поддержания структурной однородности и гибкие и заряженные мономеры для повышения механической гибкости и улучшения ионоселективности за счет сочетания точного просеивания по размеру и эффекта Доннана. Полученные CMP-мембраны толщиной 40 нм демонстрируют эквивалентную ионную проводимость по сравнению с коммерческой мембраной Nafion 117, но на порядок более высокую ионную селективность для ионных систем, таких как K+/Mg2+ и Li+/Mg2+.